解錫豪, 曹向明，李志忠，靳建輝，劉瑞a，王秋霜

(1.福建師范大學 a.地理科學學院,b.濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室,c.地理研究所 福州 350007；2.江西師范大學 地理與環(huán)境學院 南昌 330022)

作為重建區(qū)域氣候與環(huán)境、推測海岸變化和探討區(qū)域人地關系的重要載體，海岸沙丘和老紅砂在砂質(zhì)海岸帶氣候和環(huán)境的重建及其與人地關系的探討上得到了廣泛應用[1-6]。關于海岸沙丘發(fā)育的氣候背景和影響因素研究，胡凡根[4]、Tamura[7]等認為近千年來影響晉江和日本鳥取海岸沙丘發(fā)育的關鍵因素是冬季風和人類活動的強度；Roskin等[8]則認為以色列地區(qū)全新世中晚期以來海岸沙丘發(fā)育主要受控于海平面波動和人類活動強度；Fruergaard等[9]在丹麥海岸沙丘形態(tài)探討中強調(diào)極強風暴事件對海岸沙丘形態(tài)和發(fā)育的影響。這些結(jié)果表明不同學者對海岸沙丘發(fā)育的氣候背景和影響因素還存在不同的見解，需要學界的進一步探討。

深入解析海岸沙丘的物質(zhì)來源、沉積過程是明確海岸沙丘發(fā)育的關鍵。粒度作為判斷沉積環(huán)境和動力強弱的重要方式，廣泛應用于分析老紅砂、海岸沙丘和海灘砂的粒度特征和沉積動力之中。Abuodha等[10]對海灘到岸后沙丘砂樣粒度分析發(fā)現(xiàn)其顆粒變細、分選變好。董玉祥等[11]發(fā)現(xiàn)海岸沙丘相對偏粗、一般含有粉砂、分選好。唐麗等[12]認為海灘砂相對略粗、分選略差。由于海岸沙丘與海灘砂存在物源上的聯(lián)系，兩者沉積動力的強度類似，以粒度參數(shù)和粒度組分為主的粒度特征并不能對兩者進行較好地區(qū)別[11-13]。隨著端元分析在沉積環(huán)境判別的應用中愈加成熟，在黃土的物源示蹤與環(huán)境重建、河湖相沉積序列中古洪水序列的重建上均取得了不錯的效果[14-16]。李越等[14]對伊利盆地黃土的端元分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的黃土以近源為主。Toonen等[16]基于萊茵河下游湖泊沉積的端元特征判別了洪水期與非洪水期的沉積物區(qū)別，并基于此重建了區(qū)域400多年的洪水事件序列。這表明粒度的端元特征在解釋沉積物沉積環(huán)境中具有優(yōu)勢，也為進一步區(qū)別海灘砂和海岸沙丘的沉積環(huán)境提供了新的思路和方法。本研究選取閩江河口段的河流砂、海灘砂、老紅砂和海岸沙丘這4類砂質(zhì)沉積，基于粒度端元分析得出粒度端元特征，結(jié)合粒度頻數(shù)分布曲線、粒度概率累積曲線、粒度參數(shù)和粒度組分特征，分析并探討了各端元指示的環(huán)境及其與傳統(tǒng)指標的關系，為基于海岸沙丘重建區(qū)域環(huán)境提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

閩江河口區(qū)地處臺灣海峽西側(cè)，西起潮區(qū)界竹岐水文站，東至河口口門外15 m等深處，北起連江黃岐半島，南至長樂江田附近，區(qū)域內(nèi)海岸曲折，灣岬眾多，以砂質(zhì)海岸和基巖海岸為主[18]。氣候?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L氣候，多年平均氣溫約19℃，年降水量在1 350 mm左右，降水年內(nèi)分配不均，干濕季顯著[19]。研究區(qū)平均潮差在4 m以上，年均浪高約1.66 m[20]，區(qū)域盛行東北風，大風日數(shù)多，年平均風速可達4 m·s-1以上，1月平均風速接近7 m·s-1，夏秋季受臺風影響顯著[19]，這為風沙活動提供了強勁的動力。長樂東部沿海和平潭島風沙活動強烈，長樂東部沿海的梅花至首祉發(fā)育了近8 000 a的海岸沙丘，平潭島的中部平原和東部的丘陵被大面積的風沙覆蓋，蘆洋埔平原發(fā)育了巨大的沙席，是福建主要風沙分布區(qū)之一[2]。

1.2 剖面與采樣點信息

本研究在閩江河口、長樂東部沿海和平潭島采集河流砂表層樣、海岸沙丘剖面樣、海岸沙丘表層樣、老紅砂剖面樣和海灘砂表層樣共計98個樣品，各采樣點與采樣過程分別如圖1所示。

注：圖1c改繪自文獻[21]圖1。

河流砂表層樣在福州市閩侯縣官洲村閩江南支大堤內(nèi)側(cè)采集(119.26°E，25.99°N)，選取無植被覆蓋，人類擾動小的河灘，采集表層2 cm的砂樣，共采集樣品9個。海岸沙丘剖面樣選自南澳(NO)剖面，該剖面位于福州市長樂區(qū)東部的海岸沙丘(119.69°E，25.91°N)，剖面距現(xiàn)代海岸約200 m，剖面厚約7 m，未見底，整個剖面呈灰黃色，水平層理、小角度交錯層理發(fā)育，2.5 m處發(fā)育了厚約2 cm的紅褐色砂層，整個剖面以5 cm間距系統(tǒng)采樣，共采集樣品141個。本研究等距選取其中21個樣品進行分析。海岸沙丘表層樣在福州市長樂區(qū)的梅花(SZ：119.69°E，26.01°N)、文嶺(WL：119.72°E，25.99°N)和湖南(HN：119.69°E，25.91°N)采集，選取裸露的沙丘，采集表面2 cm的樣品，共采集樣品15個。海灘砂表層樣在福州市長樂區(qū)東澳海灘(DA：119.68°E，25.91°N)采集，沿岸線垂直方向以20 m的間距采集海灘表面2 cm的樣品，采集2個段面共19個樣品。老紅砂剖面樣選自青峰(QFS)剖面，該剖面位于福州市平潭縣白青鄉(xiāng)青峰村(119.66°E，25.66°N)，距現(xiàn)代海岸約700 m，剖面厚約15 m，底部為基巖風化殼，顏色從淡棕黃色到棕紅色，依據(jù)顏色變化可分為6層，為MIS5以來發(fā)育的[22]，整個剖面以2 cm為間隔共采樣750個，本研究等距選取其中的34個樣品進行分析。

1.3 實驗與方法

以激光衍射法分析了樣品的粒度，實驗前處理參考了鹿化煜等[23]的方法，即在燒杯中倒入適量風干樣品，分別加入10 mL 10%的H2O2試劑和10%的HCl試劑后放置在加熱板上反應去除有機質(zhì)和碳酸鹽，加蒸餾水水洗至中性后，加入10 mL 5%的六偏磷酸鈉溶液分散顆粒物，超聲5 min以待測試。測試儀器為Mastersizer 2000型激光粒度儀，測量范圍為0.02～2 000 μm，測量3次取平均值，其重復性測試的誤差<5%。上述粒度分析在福建省部共建亞熱帶山地生態(tài)過程國家重點實驗室培育基地土壤粒度實驗室完成。粒度參數(shù)的計算依據(jù)Flok-Ward[24]圖解法，粒度組分劃分參考了Udden-Wentworth的分級標準[25-26]，粒度端元分析以Paterson等[27]的改進模型進行，在Matlab中設定了10個端元進行非參數(shù)擬合，依據(jù)Paterson、李越、王兆奪等[14-15,27]端元數(shù)量判別方式并結(jié)合擬合結(jié)果和角度偏差確定了端元數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度頻數(shù)分布與粒度概率累積曲線特征

作為辨識沉積物沉積環(huán)境與沉積動力強度的常用手段，粒度頻數(shù)分布曲線和粒度概率累計曲線有著極為廣泛的應用[2,4-6,10-17,21-23]。各砂質(zhì)沉積的粒度頻數(shù)分布曲線和粒度概率累積曲線如圖2所示：在粒度頻數(shù)分布曲線中，各砂質(zhì)沉積均呈不典型雙峰分布，主峰在1～2.2φ之間，次峰在6～8φ左右。海岸沙丘表層樣和剖面樣、海灘砂表層樣主峰的位置接近，均在2φ左右。海岸沙丘表層樣的主峰尖瘦，分選最好，這與北部灣地區(qū)海岸沙丘表層樣分選略大于臨近的海灘砂類似[13]。海岸沙丘剖面樣的主峰高度有所降低，粉砂范圍內(nèi)的峰略有增高，說明經(jīng)歷一定程度風化的海岸沙丘細粒組分有所增加。河流砂表層樣的主峰在1.2φ左右，在7φ附近存在不典型的細粒峰，說明閩江河口的沉積動力強于長樂海灘。老紅砂剖面樣的主峰在1.4φ附近，并存在明顯的細粒峰，說明青峰老紅砂的沉積動力較強，且經(jīng)歷了較強的風化作用[5,28]。

注：圖中數(shù)據(jù)為各類樣品粒度頻數(shù)分布和粒度概率累計的平均值。圖 2 粒度頻數(shù)分布曲線(a)與粒度概率累積曲線(b) Figure 2 The grain size frequency distribution(a)and the probability cumulative curves(b)

各砂質(zhì)沉積的粒度概率累積曲線均呈不典型的三段式。海岸沙丘表層樣和剖面樣的滾動組分不明顯，含量在1%以下，其主要以跳躍組分為主，占90%以上，懸浮組分含量較少，不超過5%。海灘砂表層樣的滾動組分在2%左右，跳躍組分含量在90%左右，懸浮組分含量在5%。河流砂表層樣的滾動組分約5%，跳躍組分約為85%，懸浮組分略多，約為10%。老紅砂剖面樣的滾動組分約為2%，跳躍組分最少，為70%左右，懸浮組分最多，約25%。

2.2 粒度參數(shù)與粒度組分特征

粒度參數(shù)和粒度組分反映了沉積物的沉積環(huán)境[4,10-13,28]，各砂質(zhì)沉積的粒度參數(shù)和粒度組分如表1所示。海岸沙丘表層樣平均粒徑為1.82φ，分選較好，峰態(tài)中等，呈對稱分布，以中細砂為主，占到了含量的90%以上，粉砂和黏土含量極少。海岸沙丘剖面樣平均粒徑為1.72φ，分選中等，向細粒端略微偏移，以中細砂為主，含量約為81%，粗砂含量接近15%。海灘砂表層樣平均粒徑為1.88φ，分選和峰態(tài)與海岸沙丘剖面樣接近，峰呈對稱分布，以中細砂為主，含量在88%左右，

表1 不同沉積環(huán)境沉積物粒度參數(shù)與粒度組分 Table 1 The grain size parameters and component of sediments in different depositional environment

粗砂含量約為10%。河流砂表層樣的平均粒徑最粗，為1.31φ，以中粗砂為主，含量約為85%以上，分選差，峰相對尖銳，且向粗粒偏移明顯，粉砂和黏土含量約為8%。老紅砂平均粒徑最細，為2.42φ，分選差，峰相對尖銳，峰明顯向粗粒端偏移，以中細砂為主，約為56%，粉砂和黏土含量接近20%，粗砂含量為24.39%。這些結(jié)果說明河流砂沉積動力較強，老紅砂經(jīng)歷了較強的風化，海岸沙丘表層樣和剖面樣與海灘砂的粒度特征相似，暗示三者在沉積過程上存在聯(lián)系[12-13]。

粒度參數(shù)散點圖尤其是平均粒徑-偏態(tài)散點圖廣被應用于區(qū)別海灘砂和海岸沙丘[11-13]。在粒度參數(shù)散點圖中(圖3)，海岸沙丘表層樣和剖面樣與海灘砂表層樣投影在相近的區(qū)域內(nèi)(僅在平均粒徑-分選的散點圖中有部分區(qū)別)，且較為聚集，表明海灘砂和海岸沙丘之間“源”與“匯”的關系[13]，說明粒度參數(shù)散點圖難以對此進行區(qū)別。老紅砂的散點投影區(qū)域相對離散，其分選差，峰態(tài)大。河流砂的平均粒徑大，分選差。兩者與海灘砂和海岸沙丘的投影區(qū)域明顯不同，這可能與老紅砂經(jīng)歷了強烈的風化和河流砂較強且不穩(wěn)定的沉積環(huán)境有關。

圖3 粒度參數(shù)散點圖Figure 3 The scatter diagram of grain size parameters

2.3 粒度端元特征

對98個樣品進行了非參數(shù)端元分析，結(jié)合線性相關性和角度偏差確定了端元數(shù)量。當端元數(shù)量大于2時，線性相關性大于90%，端元數(shù)量大于5時，線性相關性便不再顯著增加，角度偏差也小于5。依據(jù)端元分析需要最小數(shù)量端元這一原則，本研究選取5個端元，各端元的頻率分布曲線如圖4所示。

圖4 端元數(shù)量判別(a)和各端元頻率分布曲線(b)Figure 4 Determination of number of end-members analysis(a)and the grain size frequency distribution of end-member loadings(b)

EMA1有4個峰，主峰在1φ，剩下3個峰由高到低分別是7φ、3φ和10.5φ，其粉砂粒級和黏土粒級含量豐富，主峰在中粗砂，表示水動力強且不穩(wěn)定或風化作用強的沉積環(huán)境。EMA2主峰在2.3φ，主要是細砂，含極少的粉砂，表示搬運環(huán)境是穩(wěn)定的較弱的風動力。EMA3主峰的位置是1.8φ，以中細砂為主，表示的沉積動力較為穩(wěn)定，且略強于EMA2組分。EMA4主要呈單峰形態(tài)，以中砂為主，峰位約為1.2φ，其沉積動力穩(wěn)定且較強。EMA5組分以中粗砂為主，主峰在0.7φ左右，含少量粗粉砂到極細砂組分，表示了較強的沉積動力。

基于上述5個端元，各沉積環(huán)境沉積物粒度端元分析的結(jié)果如圖5所示。在海岸沙丘表層樣中，基本不含EMA1和EMA5組分，以EMA3組分為主，占到60%以上，EMA2和EMA4組分含量分別為24%和10%左右。海岸沙丘剖面樣中基本不含EMA1組分，EMA5組分含量達到5%，大于表層樣的含量，EMA2、EMA3和EMA4組分接近，含量在30%左右。海灘砂表層樣以EMA2組分為主，接近50%，EMA3組分占到30%左右，EMA1和EMA5組分含量略大于海岸沙丘表層樣，含量在2%～3%之間。老紅砂剖面樣中EMA1和EMA4組分含量較多，分別為27.74%和22.04%，其余組分含量在14%～19%之間。河流砂表層樣中以EMA4和EMA5組分為主，占到54%和27%左右，EMA1和EMA3組分含量較少，約為10%，不含EMA2組分。

圖5 不同沉積環(huán)境沉積物粒度端元分析結(jié)果Figure 5 The grain size of end-members analysis sediments in different depositional environment

為更好地區(qū)別各砂質(zhì)沉積的端元特征，分析沉積環(huán)境與端元特征的關系(圖6)。海岸沙丘、海灘砂、河流砂和老紅砂的投影區(qū)域存在明顯區(qū)別。在EMA1-EMA2和EMA1-EMA3中：海岸沙丘和海灘砂均在Y軸附近并分別占據(jù)投影區(qū)域的兩端，僅個別點相互重合，海岸沙丘剖面樣的大多數(shù)樣品與海岸沙丘表層樣重合，河流砂和老紅砂在圖像的右側(cè)。EMA2-EMA3和EMA2-EMA4的投影特征類似：在EMA2-EMA3中，海岸沙丘表層樣和海灘砂表層樣的投影區(qū)呈自左上向右下傾斜的特征，海岸沙丘表層樣投影在左上區(qū)域，兩者樣品有少部分的重疊。海岸沙丘剖面樣投影區(qū)域落在其表層樣和老紅砂剖面樣之間，老紅砂整體投影在圖像的左下側(cè)。河流砂在Y軸上，這種投影特征充分揭示了海灘砂、海岸沙丘和老紅砂沉積過程上的關系[2,5,10-13,28]。

圖6 粒度端元散點圖Figure 6 The scatter diagram of grain size end-members analysis

3 粒度端元與粒度參數(shù)和粒度組分之間的關系及其環(huán)境指示

為進一步探討粒度端元特征與傳統(tǒng)粒度指標的關系，明確各端元的環(huán)境指示意義，本研究分析了各個端元與粒度參數(shù)和粒度組分的相關性，并結(jié)合散點圖探討了它們之間的關聯(lián)，如表2和圖7所示。

表2 各端元與粒度參數(shù)和粒度組分的相關性統(tǒng)計 Table 2 Correlation coefficient of grain size end-members analysis with grain size parameters and component

圖7 端元與粒度參數(shù)和粒度組分散點圖Figure 7 The scatter diagram of grain size end-members analysis with grain size parameters and component

平均粒徑(φ)與EMA1和EMA2組分正相關，與EMA3、EMA4和EMA5組分負相關，說明各端元粒徑粗細區(qū)別明顯，較好地反映了沉積動力的強弱。分選和偏態(tài)與EMA1組分正相關，這和EMA1組分分選差、存在多個細粒峰有關。峰態(tài)與EMA3和EMA4組分正相關，這對應了EMA3和EMA4組分的頻數(shù)分布曲線中主峰尖而瘦的特征，即反映了較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。 粉砂+黏土組分與EMA1組分呈正相關。細砂組分除與EMA2組分正相關外，與EMA3、EMA4和EMA5組分均呈負相關關系。中砂組分主要與EMA3和EMA4組分正相關，與EMA1和EMA5組分負相關。粗砂組分與EMA3到EMA5組分正相關，與EMA2組分負相關。各端元與粒度組分相關性的結(jié)果說明各端元的主要粒級分布范圍所對應的粒度組分密切相關，即EMA2組分主要以細砂為主，與細砂組分呈高度的正相關；EMA5組分以粗砂為主，EMA5與粗砂正相關且相關系數(shù)最大，為0.91。

在平均粒徑-EMA1圖(圖 7a )中，老紅砂和河流砂沿著擬合線延伸方向分布，說明老紅砂剖面樣的EMA1組分與顆粒物粗細關系密切。海岸沙丘和海灘砂聚集在擬合線的左下端的下方。在分選-EMA1圖(圖7b)中，老紅砂和河流砂沿線性擬合線延展方向分布，海岸沙丘和海灘砂主要擬合線的左下端，并呈線狀向右上角延伸。這兩個圖中的海岸沙丘和海灘砂投影區(qū)相對聚集，這與粒度參數(shù)散點圖類似，暗示這三者的密切聯(lián)系[2,10-13]。

細砂-EMA3圖(圖7c)中樣品投影區(qū)域相對分散，整體上從左下角向右上角延伸，河流砂表層樣集中在擬合線的左端，老紅砂剖面樣在擬合線的下側(cè)，海岸沙丘表層樣和剖面樣主要在擬合線的右上側(cè)，海灘砂表層樣在擬合線的右下側(cè)。細砂-EMA4圖(圖7e)中樣品投影區(qū)域從左上角向右下延伸，河流砂表層樣主要在左上角，老紅砂剖面樣在左下側(cè)，海岸沙丘和海灘砂表層樣主要在擬合線的右下端，海灘砂在擬合線的上側(cè)，海岸沙丘在下側(cè)，海岸沙丘剖面樣在擬合線中段偏上的位置。粗砂-EMA5圖(圖7f)中投影區(qū)域分布特征與平均粒徑-EMA1的類似，即海灘砂和海岸沙丘分布在擬合線的左下端并相對聚集，老紅砂剖面樣沿擬合線延伸方向分布，不同的是河流砂表層樣主要分布在擬合線的下側(cè)，海灘砂和海岸沙丘分布在擬合線的兩側(cè)。這3個圖顯示EMA3到EMA5組分與粒度組分之間存在密切關聯(lián)，很好地區(qū)分了河流砂和老紅砂與海灘砂和海岸沙丘沉積環(huán)境。

在細砂-EMA2圖(圖7d)中，擬合線自左下向右上延伸，河流砂表層樣主要集中在左下角的X軸上，老紅砂剖面樣主要在擬合線的左下端，海岸沙丘剖層樣投影在擬合線的中端并和老紅砂的投影區(qū)域有一定重合。海灘砂表層樣主要分布在擬合線右上端，海岸沙丘表層樣投影在擬合線中端偏下的位置，延伸線的斜率略大于擬合線的斜率。這些特征說明河流砂表層樣不存在EMA2組分，其余樣品的EMA2組分和細砂線性相關關系較好。不同沉積環(huán)境下，各樣品細砂與EMA2組分的線性關系不同，投影區(qū)域存在明顯差異，較好地區(qū)別了各類沉積環(huán)境，這種特征與粒度端元散點圖類似，暗示它們沉積過程上的聯(lián)系，即海岸沙丘由海灘砂風力搬運形成，后期強烈風化形成老紅砂[2,10-13,28]。

4 結(jié)論

本研究選取閩江口地區(qū)河流砂、海灘砂、老紅砂和海岸沙丘這4類砂質(zhì)沉積，通過端元分析得出粒度端元特征，結(jié)合粒度頻數(shù)分布曲線、粒度概率累積曲線、粒度參數(shù)和粒度組分分析和探討了各端元指示的環(huán)境和與傳統(tǒng)指標的關系，其結(jié)果如下：

1)粒度頻數(shù)分布曲線、粒度概率累積曲線、粒度參數(shù)和粒度組分反映出老紅砂剖面樣經(jīng)歷了較強的風化，河流砂表層樣的沉積動力較強且不穩(wěn)定，海岸沙丘表層樣和海灘砂表層樣沉積動力較為穩(wěn)定，海岸沙丘剖面樣經(jīng)歷了一定的風化。

2)在粒度參數(shù)散點圖中，河流砂表層樣較強且不穩(wěn)定的動力環(huán)境和老紅砂剖面樣后期較強的風化作用使其與別的樣品投影區(qū)域區(qū)別明顯，海灘砂表層樣、海岸沙丘表層樣和剖面樣因為其相近的沉積動力條件和沉積過程上的聯(lián)系聚集在一起，粒度參數(shù)散點圖中難以區(qū)別三者的沉積環(huán)境。

3)粒度端元分析結(jié)果顯示：98個樣品的粒度存在5個端元組分，分別表示了強而不穩(wěn)定的沉積動力和由弱到強且較為穩(wěn)定的沉積動力。海岸沙丘表層樣以EMA3組分為主，海岸沙丘剖面樣的EMA2、EMA3和EMA4組分各占30%左右，海灘砂表層樣EMA2組分約占一半，老紅砂的EMA1組分含量相對最多，河流砂則是以EMA4和EMA5組分為主。

4)在粒度端元的散點圖中，各樣品投影區(qū)域相對離散，其中EMA1-EMA2和EMA2-EMA3圖明顯區(qū)別了老紅砂、河流砂、海灘砂和海岸沙丘，海岸沙丘與海灘砂表層樣投影區(qū)域呈帶狀分布并分別占據(jù)帶狀區(qū)域的兩端，海岸沙丘剖面樣投影區(qū)域在海岸沙丘表層樣和老紅砂剖面樣之間，這一投影特征暗示海岸沙丘、海灘砂和老紅砂在沉積過程上的聯(lián)系。

5)各端元的含量與各端元主要顆粒粒徑對應的粒度組分呈正相關關系，即EMA1組分含量與粉砂+黏土含量正相關，EMA2與細砂含量正相關。各類沉積在端元與粒度參數(shù)和粒度組分的散點投影有明顯區(qū)別，尤其是細砂-EMA2圖中的散點投影區(qū)域及其形態(tài)存在明顯差異，極好地區(qū)別了4類砂質(zhì)沉積的沉積環(huán)境，也暗示海灘砂、海岸沙丘和老紅砂之間在沉積過程上的關聯(lián)。